基于伪卫星技术的导航定位与应用探讨

基于伪卫星技术的导航定位与应用探讨

徐振海

广州南方测绘科技股份有限公司哈尔滨份公司 黑龙江省哈尔滨市 150036 摘要： 卫星导航定位技术对现代生活的影响已经越来越巨大，在科技研究、地质勘测、工农业发展以及日常生活中得到了广泛的运用，特别是其在军事领域的价值，受到了各方的高度重视，以美国为首的西方国家尤其的重视导航技术的应用和成果转化，然而卫星定位系统的易受干扰问题一直是卫星导航定位技术应用和发展的软肋。伪卫星作为一种灵活方便的定位模式既可以作为增强传统ＧＰＳ定位的辅助手段，又可以在室内、地下通道等无法接收到ＧＰＳ卫星信号的场合独立使用完全替代ＧＰＳ系统实现高精度的导航定位，最终实现室内外无缝隙导位。但伪卫星技术还有许多关键技术问题亟须解决与突破。

关键词：伪卫星技术导航定位应用

前言：伪卫星定位技术为解决这一问题提供了一些新的思路和方法，伪卫星是一种基于地面的能够传播类似GPS信号的简易信号发生器。利用各种载体建立的伪卫星站不仅可以区域增强GPS、GLONASS导航系统，而且对正在建设的伽利略和我国的北斗二代导航系统，在导航卫星不能满足定位要求时，甚至可以利用伪卫星进行卫星补充完成导航定位。因此伪卫星已成为当前导航领域研究中的一个新颖且具有广泛应用前景的研究热点。

一、伪卫星系统定位原理

以GPS卫星导航系统为例，GPS伪卫星定位系统是一个模拟GPS定位系统的区域定位系统，基本理论和研究方法都源于GPS，可用4颗以上的GPS伪卫星作为信号源来模拟GPS系统中的卫星，采用独立的坐标系和时间标准，组成伪卫星网络，并通过GPS接收机和主控站完成伪卫星系统的同步控制，导航信号的接收以及定位信息提取和解算，就能够给一定区域内进行定位。伪卫星观测方程与常规的GPS观测方程不同：首先，由于伪卫星一般放置在大气对流层以内，所以不需要进行电离层延迟改正；其次，伪卫星信号所传播的路径一般都是在对流层较低的高度传播，所以也不能直接采用GPS观测常用的对流层改正模型，而必须采用特殊的对流层模型进行改正，也可以利用伪卫星自身的观测量进行改正，最后由于伪卫星的钟差远远大于GPS卫星的钟差，因此在测量时必须进行修正。GPS定位技术的精度、可靠性以及完好性都与所跟踪的GPS卫星数目以及几何图形有着密切关系，而在一些特殊的地点，如深山峡谷、矿井坑道或者大型城市建筑内，往往由于信号遮挡严重，无法定位或者定位精度达不到用户要求，这就会使GPS系统的可用度降低，在这种情况下采用伪卫星定位技术就可以比较理想的满足用户需求。

二、基于伪卫星技术的导航定位与应用

1.多径效应问题。多径的产生是由于信号的反射引起的。在伪卫星应用中，特别是在室内，反射比较多（如墙壁、桌子、凳子等反射），加之伪卫星本身也是反射信号，这就使得多径效应成为一个主要技术问题。一般的，在静止环境时伪卫星多径不变，可以通过事先校准，如通过接收机软件中的跟踪算法对误差建模，求定误差偏离值在校准，但在移动情况下，多径变化较大且随机，问题较难处理。目前已有的多径效应解决方法有：改进天线；数据滤波与自适应处理；时空组合；选取最佳星座布局及接收机位置；改进硬件设计（包括接收机、接收机天线以及伪卫星信号发射器天线）远—近问题与导航卫星相比，伪卫星离用户很近，且相对距离变化范围较大，当距离较近时，伪卫星信号的功率较大会淹没卫星信号，从而使其不能跟踪卫星信号；当距离较远时，信号功率又太弱，接收机不能跟踪到伪卫星信号。这就是所谓的远—近问题。解决伪卫星远—近问题的方法主要有：轨迹约束；设计天线方向图；使用分立天线；调频；选用新的扩频码；带外发射；频率偏移；脉冲发射等。目前最有应用前景的就是脉冲发射（也称“时间分割调制”）方案：即使用低占空比的短脉冲来传送伪卫星信号，这样，只会在很短的时间内对卫星信号有干扰。当伪卫星发射占空比为１０％时，其伪卫星信号能够被轻易接收，且导航卫星平均信号功率损耗不大于１ｄＢ。在脉冲间隙，余下的９０％的时间，接收机收到的全部是不被干扰的卫星信号。在这种条件下，绝大部分接收机能同时跟踪卫星信号和伪卫星信号，具有巨大的吸引力。

2.对流层时延问题。与ＧＰＳ类似，伪卫星信号在传播过程中受到大气层的影响。ＧＰＳ信号的大气时延包括对流层时延和电离层时延，而伪卫星由于布设的高度一般较低，位于地球表面附近，所以我们仅考虑对流层时延影响。ＧＰＳ卫星信号通常使模型来改正或消除，但这些模型取决于卫星仰角，而伪卫星仰角一般过低，在伪卫星系统中继续使用这些模型会带来很大误差。针对伪卫星对流层时延，目前已有的解决模型有：将大气折射率描述为气象参数的函数模型，该模型对大气气压、温度和湿度进行精密测量，得到局部天气条件对该函的影提出的自适应对流层延迟估计算法。该方法将对流层延迟作为定位解算中的一个附加未知参数，这种方法能用来补偿卫星定位误差；另外，伪卫星还存在位置误差、非线性影响；伪卫星的硬件设计，配套用户接收机的生产；伪卫星位置选取、数量选择；新波段的分配及其他信号干扰等关键技术问题。未来，随着这些关键技术问题的解决，基于伪卫星技术的导航定位模式将会越加普遍，应用范围也会越加广泛，其在几个领域中的应用具体如下：在露天采矿中，矿坑往往较深且视线较窄，卫星信号时常被遮挡，此时使用伪卫星技术结合ＧＮＳＳ导航系统可以对矿车精确定位使其自动化驾驶，并且还可以实现露天矿车监控调度预警系统；在飞机精密着陆中，美国ＦＡＡ采用伪卫星建立ＬＡＳＳ来提高站星距离测量精度，并实现Ⅱ级和Ⅲ级精密进场着陆；在组合导航中，当用户处在某种恶劣的环境时，卫星导航应用系统的性能会由信号遮挡或接收不到而急速下降（如ＩＮＳ系统），若组合ＧＮＳＳ／ＩＮＳ／伪卫星系统，ＩＮＳ系统误差就可以得到实时校准与改正，从而改善各种恶劣工作环境下的系统性能；在室内导航中，伪卫星系统通过定位精度最高可达亚厘米级别的载波相位测量技术进行导航定位，来提供各目标物体的精准位置信息，进而实现室内导航定位需求，如典型的伪卫星系统；在位置信息服务（ＬＢＳ）中，我们希望在任何时候任何地点都能实时的获取任何物体的精确位置信息，可是，目前的定位系统不能满足位置信息的所有要求，包括定位精度、可靠性、完好性和覆盖性。而伪卫星系统定位精度较高，可以在这些领域大放异彩，比如：基于位置信息服务技术为您提供精确定位服务的智能手表，不仅可以防止用户在迷宫般的商场迷失，还能指引你逛商场把你带到确切的货架前；在变形监测中，对于城市高楼密集区和位于深山峡谷的水库、电站、大坝、矿山等环境，ＧＰＳ很难能满足大坝、桥梁和高层建筑等安全监测的要求，若在适当位置合理布设伪卫星，使用伪卫星改善星座布局，则可提高变形监测精度。

结束语：随着GPS定位技术的不断发展和应用领域的不断拓f-,GPS定位技术自身固有的信号衰减以及定位精度依赖于卫星几何分布的弱点已经限制了它在很多重要领域的应用。伪卫星技术可以弥导航定位技术应用的许多缺陷，同时也是提高定位精度的一种有效手段。目前伪卫星技术的推广应用还有许多关键技术需要解决和攻克，但伪卫星定位技术自身的特点和优越性决定了其必将成为盛业领域中不可或缺的一部分，随着GPS导航定位技术产业的不断发展，伪卫星的概念和技术将会有更广阔的前景。

参考文献：

［１］康国栋．伪卫星定位系统研究［Ｄ］．陕西西安：西北工业大学，２０18．

［２］何秀凤，桑文刚，杨光．伪卫星增强ＧＰＳ精密定位新方法［Ｊ］．东南大学学报（自然科学版），２０19（３）：４６０－４６４．